JP3956053B2

JP3956053B2 - 蛇行コイルを用いた電磁超音波トランスデューサ

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Publication number: JP3956053B2
Application number: JP2003358489A
Authority: JP
Inventors: 捷宏川島
Original assignee: 捷宏川島
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP2005086797A

Description

本発明は、導電材料の表面あるいは内部の傷の検出、残留応力の測定、材料特性の測定をする電磁超音波トランスデューサに関するものである。

図２は従来の蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの概略構成を示す図である。図２（ａ）は底面側から見た図であり、図２（ｂ）は側面から見た図である。図２に示すように、蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサは被測定物である平板状の鋼板１の上に導電性材料からなる蛇行コイル２を配置し、その上部に静磁場を形成する永久磁石３を配置した構成である。蛇行コイルを構成する平行線の間隔は全て等しくしておかなければならない。また永久磁石のかわりに電磁石も用いられる。電気絶縁性の材料４（セラミクス、マイカ、耐熱性プラスチックなど）は蛇行コイル２を保護している。

このような蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの蛇行コイル２に高周波の電流を流すと、蛇行コイル２の直下の平板状の鋼板１の表面に交互に逆向きの誘起高周波電流が流れる。この誘起高周波電流と永久磁石３による静磁場が相互作用してローレンツ力が発生する。このローレンツ力は蛇行コイル２の平行線の間隔と同じ間隔で発生し、且つ互いに逆向きに発生するため、鋼板１の表面には波長が蛇行コイル２の平行線の間隔の２倍である超音波が発生する。超音波は蛇行コイル２の平行線に垂直な方向に伝播していく。
この超音波は鋼板１の端面や、表面や内部の傷、結晶粒界、組織変化等の音響インピーダンスが不連続になる面で反射する。この反射波は蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサ、あるいは別個に設けられた同構造の蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサによって検出することができる。検出の原理は発生の原理の逆過程として説明できる。このような超音波の発生法、検出法は
超音波便覧編集委員会編、「超音波便覧」、丸善株式会社出版、１９９９年８月３０日発行、ｐ１３３−１４０にも記載されている。

こうして検出される反射波を解析することにより、表面あるいは内部の傷の検出、残留応力の測定、材料特性の測定をすることができる。しかしながら電磁超音波法は原理的に電気・音響エネルギー変換効率が低いために超音波を発受信する効率が悪いことはよく知られている。また電気絶縁性の材料４や蛇行コイル２が被測定物である平板状の鋼板１の表面にときおり存在する凹凸に接触して破損することも多い。電気絶縁性の材料４と被測定物の表面との間の間隔を数ミリメートル以上に保つとこのような破損は大体防止できるが、電磁超音波法ではこの間隔を大きくすると超音波を発受信する効率が急激に悪化することが知られている。これを補うために小さな超音波信号を増幅するための増幅率の大きな増幅器を使用する必要がある。増幅率の大きな増幅器は微小なランダムノイズも同時に増幅してしまうため、目的とする反射波はランダムノイズに埋もれてしまう傾向があり誤検出の最大の原因となっていた。

上記の欠点を改善するべく、特開平９−１６６５８４は蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの発受信性能を向上させるための発明を提起している。その１は特開平９−１６６５８４の請求項２、３や、特開平９−１６６５８４の図４に開示されているものであり、絶縁シートの両面に導電性材料からなる蛇行コイルを絶縁シートを介して互いに対向するように配置した蛇行シートコイルである。その２は、特開平９−１６６５８４の図１に開示されているものであり、３個の蛇行コイルを絶縁シートの片面に形成するものである。

上記の特開平９−１６６５８４の請求項２、３や図４に開示されている発明は絶縁シートの両面に蛇行コイルを形成しなければならず、その製造過程は複雑であり、製造コストも大きいという欠点があった。

また特開平９−１６６５８４の図１に開示されている３個の蛇行コイルを絶縁シートの片面に形成する発明にも欠点がある。この欠点を説明するために特開平９−１６６５８４の図１の略図を本発明の図３に示す。図３において、蛇行コイル５、蛇行コイル６、蛇行コイル７の３個の蛇行コイルが絶縁シートの片面にお互いが電気的に接触しないように形成されている。図３を見ればただちに判明するように蛇行コイル５と蛇行コイル７では平行線の間の間隔が大小２種類できることは避けられない。本発明の段落０００２に説明しているように、蛇行コイルの平行線の間隔は全て等しくしておかなければならないので、平行線の間の間隔が大小２種類存在すると発受信性能を阻害し、期待するほどの発受信性能は得られないという欠点がある。

蛇行コイルが被測定物の表面にときおり存在する凹凸に接触して蛇行コイルが破損するのを防ぐためには耐熱性樹脂、マイカ、セラミクスなどの電気絶縁性の薄い板状の材料を蛇行コイルと被測定物表面との間に設置するのが普通であるが、これら電気絶縁性の保護材料は一般的に機械的衝撃に弱く、充分には蛇行コイルの破損を防ぐことはできない。強く、靭性に優れた金属板を保護材料として用いれば破損防止法としては理想的であるが、高周波電磁場に及ぼす金属板のいわゆる電磁気的表皮効果により蛇行コイルと被測定物表面との電磁気的結合が著しく阻害され、ひいては超音波の発受信性能を著しく低下させると一般に考えられている。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、交流磁界をつくる蛇行コイルと磁場を形成する磁石を具備する蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサにおいて蛇行コイルの保護のために電気抵抗率が４０×１０^−６Ωｃｍより大きく、厚さが０．０１ｍｍ以上且つ１ｍｍ以下の金属板あるいは合金板を蛇行コイルの被測定材料側の面に設けたことを特徴とする。これまでは、高周波電磁場に及ぼす金属板のいわゆる電磁気的表皮効果により蛇行コイルと被測定物表面との電磁気的結合が著しく阻害され、ひいては超音波の発受信性能を著しく低下させると一般に考えられていた。しかし本発明の発明者は電気抵抗率が４０×１０^−６Ωｃｍより大きく、厚さが０．０１ｍｍ以上且つ１ｍｍ以下の金属板あるいは合金板であれば超音波の発受信性能を著しく低下させることはなく、蛇行コイルを保護するのに実用できることを発見したのである。

請求項２に記載の発明は、交流磁界をつくる蛇行コイルと磁場を形成する磁石を具備する蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサにおいて、絶縁シートの片面に蛇行コイルを形成した蛇行シートコイルを２枚以上５枚以下かさねてこれらを導電性の外部リード線により結合したものであることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、交流磁界をつくるコイルと磁場を形成する磁石を具備する電磁超音波トランスデューサにおいて、絶縁シートの片面に導電性材料からなる直線回路を周期的に形成しこれらを導電性材料により結合して１枚の絶縁シートの片面に平行な直線部分の間隔がすべて等しい２個以上６個以下の蛇行コイルを形成した複合型蛇行シートコイルを使用することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は請求項３に記載の複合型蛇行シートコイルを２枚以上５枚以下かさねてこれらを導電性の外部リード線により結合した複層複合型蛇行シートコイルを使用することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は請求項２、あるいは請求項３、あるいは請求項４に記載の蛇行シートコイルの保護のために電気抵抗率が４０×１０^−６Ωｃｍより大きく、厚さが０．０１ｍｍ以上且つ１ｍｍ以下の金属板あるいは合金板を蛇行シートコイルの被測定材料側の面に設けたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は請求項１あるいは請求項５に記載の蛇行シートコイルのアース側端子を保護のために設けた電気抵抗率が４０×１０^−６Ωｃｍより大きく、厚さが０．０１ｍｍ以上且つ１ｍｍ以下の金属板あるいは合金板に導電性材料で結合したことを特徴とする。

発明を実施するための最良の形態は請求項６に記載の交流磁界をつくるコイルと磁場を形成する磁石を具備する電磁超音波トランスデューサである。

発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。図４は発明の実施の１例である電磁超音波検査装置の概要を示す概要図である。図４において、８は被検査体である厚鋼板、９は小さい表面欠陥（長さ１．５ｃｍ、深さ０．３ｍｍ）、１０はバースト波送信器、１１は表面波発信用の電磁超音波トランスデューサ、１２は表面波発信用の電磁超音波トランスデューサ１１から短い距離（９ｃｍ）に設けられた表面波受信用の電磁超音波トランスデューサ、１３は増幅器、１４はＡＤ変換器、１５はデータ蓄積器、１６は演算器、１７は出力装置である。データ蓄積器１５はコンピューターのＩＣメモリで構成されるが、ＩＣメモリのかわりにコンピューターのハードディスクでもよい。１１、１２の電磁超音波トランスデューサは同じ構造を有しており、図５はこの構造の略図である。図５（ａ）は表面波発信用あるいは受信用の電磁超音波トランスデューサの底面図、図４（ｂ）は同じく電磁超音波トランスデューサの側面図であり被検体である厚鋼板８との関係を示した図である。図５において１９は永久磁石、２０は保護用のセラミクス板、２１はのちに詳しく説明する複層複合型蛇行シートコイルである。
図４の波形矢印１８は表面波発信用の電磁超音波トランスデューサ１１により発信された表面波が鋼材表面を伝播し、小さい表面欠陥９に反射されてもどっていく様子を表している。

バースト波送信器１０は周波数が１ＭＨｚ、波数が１５、繰り返し周波数が１００Ｈｚであるバースト波電流を表面波発信用の電磁超音波トランスデューサ１１に送信する。すると厚鋼板８の表面に表面波が発生する。この表面波は図４において、まず右方へ伝播して表面波発信用の電磁超音波トランスデューサ１１より９ｃｍの距離に設けられた表面波受信用の電磁超音波トランスデューサ１２により直達表面波として受信され、さらに右方へ伝播して表面波発信用の電磁超音波トランスデューサ１１より７１ｃｍの距離にある表面欠陥９により反射されて左方へ伝播し表面波受信用の電磁超音波トランスデューサ１２により欠陥表面波として受信される。増幅器１３は直達表面波、欠陥表面波を増幅する。

図６には小さい表面欠陥９（長さ１．５ｃｍ、深さ０．３ｍｍ）が検出された結果を示している。図６において２２は超音波発信のためのバースト波電流によって空間を隔てた電磁的誘導により発生した電気信号である。２３は直達表面波、２４は欠陥表面波、２５はランダムノイズである。小さい表面欠陥９が欠陥表面波２４として明暸に検出されている。

複層複合型蛇行シートコイル２１は図１に示す複合型蛇行シートコイルをお互いが完全に重なるように２枚重ね、さらにこれらを導電性の外部リード線で結合したものである。図７は図１の二点鎖線２６で囲まれた部分を拡大したものである。図８は図７の一点鎖線Ａ−Ｂにおける複合型蛇行シートコイルの断面図である。図８において２７の黒い台形で表した部分は電解銅箔で作られた蛇行コイルの断面であり厚さは１８μｍである。２８，２９はプラスチックの１種であるポリイミドであり厚さは２５μｍである。３０は接着剤である。図１、図７、図８を参考にして複合型蛇行シートコイルの構造を次に説明する。図１、図７、図８に示すように幅０．１ｍｍ、厚さ１８μｍの３本の直線状銅箔が間隔０．１ｍｍでお互いに平行に配置されたものが１組となり、これが３２組ある。これら３２組の直線状銅箔は間隔１．４ｍｍでお互いに平行に配置されている。これらの直線状銅箔は全て図１の絶縁シート３１の片面に配置されている。これらは図１に示すように結合されているが、図１の点線３２、点線３３、あるいは同じく図７の点線３２、点線３３で代表されるような点線で表してあるすべての部分はスルーホールを介して絶縁シート３１の裏面でこれらの直線状銅箔を結合している。実線の部分は全て絶縁シート３１の片面に配置されている。このように結合するとお互いに電気的に絶縁された３個の蛇行コイルが絶縁シート３１の片面にできたことになる。
３個の蛇行コイルの平行な直線部分の間隔はすべて同じであり１．４ｍｍである。３個の蛇行コイルのうちの１個目は端子３４と端子３５につながり、２個目は端子３６と端子３７につながり、３個目は端子３８と端子３９につながっている。さらに端子３５と端子３６を、また端子３７と端子３８とをそれぞれ細い銅箔４０、細い銅箔４１で結合する。このようにして絶縁シート３１の片面に端子３４と端子３９を２つの端子とする複合型蛇行シートコイルが出来上がる。このような構造の複合型蛇行シートコイルは既存のフレキシブル回路（プリント回路）技術で製作することができるのでその製作法の詳細は省略する。さらにこのようにして出来た複合型蛇行シートコイルをお互いが完全に重なるように２枚重ね、これらを導電性の外部リード線で結合すると複層複合型蛇行シートコイル２１ができあがる。

３個より多い蛇行コイルを片面に形成してこれらを電気的に結合した複合型蛇行シートコイルならばさらに性能が向上する。
また２枚より多い複合型蛇行シートコイルを重ねあわせて結合した複層複合型蛇行シートコイルならばさらに性能が向上するが、多数枚重ねた複層複合型蛇行シートコイルではそのインピーダンスが大きくなり結果的に性能が悪くなり５枚重ねた複層複合型蛇行シートコイルが限度であることが実験によりわかった。

本発明の実施例２として実施例１とは異なる電磁超音波トランスデューサを使用した例を示す。図９は実施例２で使用した電磁超音波トランスデューサであるがこれは実施例１で使用した図５の保護用のセラミクス板２０のかわりに厚さ０．２ｍｍのエバノーム板４２を保護板として取りつけたものである。エバノームはＥＶＡＮＯＨＭとも表記され、ニッケルを主体としてクロム、マンガン、アルミ、シリコンを含む合金であり市販されている材料である。エバノームの電気抵抗率は大きく１３７×１０^−６Ωｃｍである。その他の装置や被試験体は実施例１で使用したものと同じものを使用した。

図１０には小さい表面欠陥９（長さ１．５ｃｍ、深さ０．３ｍｍ）が検出された結果を示している。図１０において４３は超音波発信のためのバースト波電流によって空間を隔てた電磁的誘導により発生した電気信号である。４４は直達表面波、４５は欠陥表面波、４６はランダムノイズである。小さい表面欠陥９が、実施例１よりは約５０％感度が下がるが欠陥表面波４５として明暸に検出されている。さらに上記の電磁超音波トランスデューサの複層複合型蛇行シートコイル２１のアース側の端子４７を上記保護用のエバノーム板４２に銅線４８で電気的に結合して実験したが、ランダムノイズが約２０％減少し、実用上重要なＳ／Ｎ比（信号対ノイズ比）が向上しその効果は大きいこともわかった。すなわち上記保護板は蛇行コイルの保護とランダムノイズ減少という一石二鳥の効果を有する。

本発明の実施例３として実施例２とは異なる金属保護板を使用した例を示す。保護板として厚さ０．２ｍｍのチタン板を使用した。チタンの電気抵抗率も大きく約４０×１０^−６Ωｃｍである。その他の装置や被試験体は実施例２で使用したものと同じものを使用した。

図１１には小さい表面欠陥９（長さ１．５ｃｍ、深さ０．３ｍｍ）が検出された結果を示している。図１１において４９は超音波発信のためのバースト波電流によって空間を隔てた電磁的誘導により発生した電気信号である。５０は直達表面波、５１は欠陥表面波、５２はランダムノイズである。小さい表面欠陥９が、実施例２よりは約４０％感度が下がるが欠陥表面波として明暸に検出されている。さらに上記の電磁超音波トランスデューサの複層複合型蛇行シートコイル２１のアース側の端を上記保護用のチタン板に銅線で結合して実験したがランダムノイズが約２０％減少し、実用上重要なＳ／Ｎ比（信号対ノイズ比）が向上しその効果は大きいこともわかった。

本発明の実施例４として実施例１、実施例２、実施例３とは異なる電磁超音波トランスデューサを使用した例を示す。実施例４では絶縁シートの片面に１つの蛇行コイルを形成した蛇行シートコイルを３枚重ねた作った３枚重ねの複層蛇行シートコイルを有する電磁超音波トランスデューサを使用した。これら３枚のうちの１枚の蛇行シートコイルの詳細図を図１２に示す。これによっても小さい表面欠陥２（長さ１．５ｃｍ、深さ０．３ｍｍ）を明暸に検出できた。

本発明の実施例５として実施例１、実施例２、実施例３、実施例４とは異なる電磁超音波トランスデューサを使用した例を示す。実施例５では、実施例４で使用した電磁超音波トランスデューサーにエバノーム板、あるいはチタン板を保護板として取りつけたものを使用した。これによっても小さい表面欠陥２（長さ１．５ｃｍ、深さ０．３ｍｍ）を明暸に検出できた。
さらに上記の電磁超音波トランスデューサーの蛇行シートコイルのアース側の端を上記保護用のエバノーム板、あるいはチタン板に銅線で結合して実験したがランダムノイズが約２０％減少し、実用上重要なＳ／Ｎ比（信号対ノイズ比）向上しその効果は大きいこともわかった。

本発明の実施例６として実施例１、実施例２、実施例３、実施例４、実施例５とは異なる電磁超音波トランスデューサを使用した例を示す。実施例６では、実施例５で使用した電磁超音波トランスデューサーに使用したエバノーム板、あるいはチタン板の厚さを変化させたものを使用した。その結果厚さが０．０１ｍｍより薄いと保護板としての効果は小さく、厚さが１ｍｍ以上であると感度が下がりすぎて小さい表面欠陥２（長さ１．５ｃｍ、深さ０．３ｍｍ）を明瞭に検出することはできなかった。したがって保護板としては電気抵抗率が４０×１０^−６Ωｃｍより大きく、厚さが０．０１ｍｍ以上且つ１ｍｍ以下の金属板あるいは合金板が適していることがわかった。

発明の効果

以上説明したように本発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。請求項１，２，３，４，５、６に示した電磁超音波トランスデューサのいずれかを使用した電磁超音波検査装置により、感度がよく容易に破損することがない電磁超音波検査方法を実現することができ、導電材料の表面あるいは内部の傷の検出、残留応力の測定、材料特性等の測定を信頼性高く実現できることになる。また、実施例とは異なっていても、蛇行コイルを用いた電磁超音波法には利用できるこというまでもない。

鉄鋼業やアルミニウム産業において、鋼板やアルミニウム板の表面あるいは内部の傷の検出、残留応力の測定、材料特性の測定に利用することができる。本発明の電磁超音波トランスデューサは被測定材料の表面形状にあわせてつくることができるので板状の材料だけでなく、鋼管やアルミニウム管、あるいは圧延ローラーの測定に利用することもできる。

本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサに用いる複合型蛇行シートコイルの構成を示す図である。従来の蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの概略構成を示す図で、同図（ａ）は底面側から見た図であり、同図（ｂ）は側面から見た図である。特開平９−１６６５８４の図１に開示されている３個の蛇行コイルを絶縁シートの片面に形成したものの略図である。蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの計測原理を説明するための図である。本発明の複層複合型蛇行シートコイル２１と保護用のセラミクス板２０を用いた蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの概略図である。同図（ａ）は底面側から見た図であり、同図（ｂ）は側面から見た図である。本発明の複層複合型蛇行シートコイル２１と保護用のセラミクス板２０を用いた蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサによる計測結果を示す図である。図１の２点鎖線２６で囲まれた部分の拡大図である。図７の１点鎖線Ａ−Ｂ断面図である。本発明の複層複合型蛇行シートコイル２１と保護用のエバノーム板４２を用いた蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサの概略図である。同図（ａ）は底面側から見た図であり、同図（ｂ）は側面から見た図である。本発明の複層複合型蛇行シートコイル２１と保護用のエバノーム板４２を用いた蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサによる計測結果を示す図である。本発明の複層複合型蛇行シートコイル２１と保護用のチタン板を用いた蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサによる計測結果を示す図である。本発明の蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサに用いる蛇行シートコイルの構成を示す図である。

符号の説明

１平板状の鋼板
２蛇行コイル
３永久磁石
４電気絶縁性の材料
５蛇行コイル
６蛇行コイル
７蛇行コイル
８被検査体である厚鋼板
９小さい表面欠陥
１０バースト波送信器
１１表面波発信用の電磁超音波トランスデューサ
１２表面波受信用の電磁超音波トランスデューサ
１３増幅器
１４ＡＤ変換器
１５データ蓄積器
１６演算器
１７出力装置
１８超音波伝播の様子をあらわした波形矢印
１９永久磁石
２０保護用のセラミクス板
２１複層複合型蛇行シートコイル
２２超音波発生のためのバースト波電流によって空間を隔てた電磁的誘導により発生した電気信号である
２３直達表面波
２４欠陥表面波
２５ランダムノイズ
２６拡大部分を示すための２点鎖線
２７電解銅箔で作られた蛇行コイルの断面
２８プラスチックの１種であるポリイミド
２９プラスチックの１種であるポリイミド
３０接着剤
３１絶縁シート
３２絶縁シート３１の裏面で電気的に結合されている部分
３３絶縁シート３１の裏面で電気的に結合されている部分
３４端子
３５端子
３６端子
３７端子
３８端子
３９端子
４０細い銅箔
４１細い銅箔
４２エバノーム板
４３超音波発信のためのバースト波電流によって空間を隔てた電磁的誘導により発生した電気信号
４４直達表面波
４５欠陥表面波
４６ランダムノイズ
４７アース側端子
４８銅線
４９超音波発信のためのバースト波電流によって空間を隔てた電磁的誘導により発生した電気信号
５０直達表面波
５１欠陥表面波
５２ランダムノイズ

Claims

交流磁界をつくる蛇行コイルと磁場を形成する磁石を具備する蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサにおいて、絶縁シートの片面に導電性材料からなる蛇行コイルを形成した蛇行シートコイルを２枚以上５枚以下重ねてこれらを導電性の外部リード線により結合した複層蛇行シートコイルを使用することを特徴とする蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサ。
交流磁界をつくるコイルと磁場を形成する磁石を具備する電磁超音波トランスデューサにおいて、絶縁シートの片面に導電性材料からなる直線回路を周期的に形成しこれらを導電性材料により結合して絶縁シートの片面に平行な直線部分の間隔がすべて等しい２個以上の蛇行コイルを形成した複合型蛇行シートコイルを使用することを特徴とする蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサ。
交流磁界をつくるコイルと磁場を形成する磁石を具備する電磁超音波トランスデューサにおいて、請求項２に記載の複合型蛇行シートコイルを２枚以上５枚以下かさねてこれらを導電性の外部リード線により結合した複層複合型蛇行シートコイルを使用することを特徴とする蛇行コイル型電磁超音波トランスデューサ。